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KR101675378B1 - 연마 슬러리 및 그를 이용한 절연막 평탄화 방법 - Google Patents

연마 슬러리 및 그를 이용한 절연막 평탄화 방법 Download PDF

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KR101675378B1
KR101675378B1 KR1020100017283A KR20100017283A KR101675378B1 KR 101675378 B1 KR101675378 B1 KR 101675378B1 KR 1020100017283 A KR1020100017283 A KR 1020100017283A KR 20100017283 A KR20100017283 A KR 20100017283A KR 101675378 B1 KR101675378 B1 KR 101675378B1
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Abstract

본 발명은 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있는 연마 슬러리 및 그를 이용한 절연막의 평탄화 방법을 개시한다. 그의 슬러리는 실리콘 산화막의 단차 제거용 연마제, 분산제, 연마가속제를 포함하고, 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물이 흡착방지제를 포함할 수 있다. 흡착 방지제는 화학적 기계적 연마(CMP)장치의 컨디셔너의 다이아몬드 디스크 및 연마 패드의 요염을 방지할 수 있다.

Description

연마 슬러리 및 그를 이용한 절연막 평탄화 방법{slurry for polishing and planarizion method of insulator layer used the same}
본 발명은 연마 슬러리 및 그를 이용한 절연막 평탄화 방법에 관한 것으로, 상세하게는 스크래치 불량을 제거할 수 있는 세리아 연마제를 사용하는 연마 슬러리 및 그를 이용한 절연막 평탄화 방법에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: 이하, CMP)는 반도체 제조공정 중 웨이퍼 전면을 평탄화하는 공정 중의 하나이다. CMP는 웨이퍼와 연마 패드 사이에 존재하는 연마 슬러리의 기계적인 식각과 화학적인 식각을 포함할 수 있다. 연마 슬러리는 연마 대상에 따라 종류가 달라질 수 있다. 예를 들어, 실리콘 산화막의 CMP에는 실리카 또는 세리아를 연마제로 사용하는 연마 슬러리가 사용될 수 있다. 실리카 슬러리는 실리콘 산화막의 단차를 제거하기 위해 주로 사용되고 있다. 실리카 슬러리는 연마 패드의 표면에 다량의 침전물을 유발시켜 웨이퍼 표면에서 스크래치를 유발시킬 수 있다. 세리아 슬러리는 평탄한 실리콘 산화막을 연마하기 위해 사용되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실리콘 산화막의 단차 제거용 연마제로서 세리아를 사용할 수 있는 연마 슬러리 및 그를 이용하는 절연막의 평탄화 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 실리콘 산화막의 단차 제거 시에 스크래치 불량을 최소화할 수 있는 연마 슬러리 및 그를 이용하는 절연막의 평탄화 방법을 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 과제는, 컨디셔너의 다이아몬드 디스크와, 연마 패드의 오염을 줄이고, 상기 연마 패드 및 다이몬드 디스크의 사용시간을 증가시켜 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있는 연마 슬러리 및 그를 이용한 실리콘 산화막 평탄화 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연마 슬러리는, 분산제, 연마가속제, 흡착방지제, 및 연마제를 포함하는 연마 슬러리에 있어서, 상기 흡착방지제는 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물을 포함한다. 여기서, 연마가속제는 상기 연마가속제는 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-Methyl-phenol anion), 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-HydroxyMethyl-phenol anion), 4-메틸-벤젠-1,3-디올(4-Methyl-benzene-1, 3-diol), 코직 산(Kojic acid), 멜톨 프로피오네이트(Maltol propionate), 또는 멜톨 이소부틸레이트(Maltol iosbutyrate)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤젠 화합물은 상기 카르복실기가 포함된 아세트산(Acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 부틸산(butyric acid), 젖산(latic acid)을 포함하는 유기산의 일부 사이트에서의 알킬기가 벤젠으로 치환된 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤젠 화합물은 2-메틸-벤젠 산(2-Methyl-benzoic acid)을 포함할 수 있다.
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일 실시예에 따르면, 상기 분산제는 비이온성 고분자 또는 양이온 유기 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분산제는 에틸렌 옥사이드(Ethylene oxide), 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 글리콜디스티레이트(glycol distearate), 글리콜 모노스티레이트(glycol monostearate), 글리콜 폴리머레이트(glycol polymerate), 글리콜 에테르(glycol ether)류, 　알킬라민(Alkylamine)을 포함하는 알코올(Alcohol)류, 폴리머레이트에테르(Polymerate ether), 소비트롤(Sorbitol)을 포함하는 화합물, 비이온성 계면활성제(Nonionic Surfactant)류, 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 셀룰로스(Cellulose)류, 에톡시레이트(Ethoxylate)계열의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분산제, 상기 연마 가속제, 상기 흡착방지제, 상기 연마제, 및 물은 각각 0.5-1 : 1-2 : 0.5-1 : 5 : 91-93 비율의 중량 퍼센트로 혼합될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 절연막 평탄화 방법은, 단차를 갖는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 및 연마 슬러리를 이용하여 상기 절연막을 평탄화하는 단계를 포함하되, 상기 연마 슬러리는 연마제, 분산제, 연마가속제, 및 흡착방지제를 포함하고, 상기 흡착방지제는 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물을 포함한다. 여기서, 연마가속제는 상기 연마가속제는 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-Methyl-phenol anion), 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-HydroxyMethyl-phenol anion), 4-메틸-벤젠-1,3-디올(4-Methyl-benzene-1, 3-diol), 코직 산(Kojic acid), 멜톨 프로피오네이트(Maltol propionate), 또는 멜톨 이소부틸레이트(Maltol iosbutyrate)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤젠 화합물은 2-메틸-벤젠 산(2-Methyl-benzoic acid)을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면, 세리아 연마제를 포함하는 연마 슬러리에 연마 가속제를 첨가하여 실리콘 산화막의 단차를 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 세리아 연마제를 포함하는 연마 슬러ㄹ로 산화막의 단차 제거 시에 스크래치 불량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 흡착 혼합제를 연마 슬러리에 첨가하여 컨디셔너의 다이아몬드 디스크와, 연마 패드의 오염을 줄이고, 상기 연마 패드 및 다이몬드 디스크의 사용시간을 증가시켜 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 CMP 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2a 내지 도 2d는 소자 분리막의 평탄화 공정을 설명하기 위해 나타낸 공정단면도들.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연마 슬러리와 종래의 연마 슬러리의 CMP 누적시간에 따른 다이아몬드 디스크의 패드 절삭율 변화를 비교하여 나타낸 그래프들
도 4는 디램의 소자 분리막 CMP 공정을 수행 후 남은 잔여 소자 분리막의 두께를 나타내는 그래프.
도 5는 도 4의 CMP 공정에 따른 스크래치 개수를 나타내는 밴다이어 그램.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 연마 슬러리는 실리콘 산화막의 단차 제거용 슬러리를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 연마 슬러리는 연마제, 분산제, 연마가속제(remove accelerator), 흡착방지제, 및 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분산제, 연마 가속제, 흡착방지제, 연마제, 및 물이 각각 0.5-1 : 1-2 : 0.5-1 : 5 : 91-93 비율의 중량%로 혼합될 수 있다. 연마제는 탈이온수에 혼합된 약 5 중량% 정도의 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다. 여기서, 세리아는 약 70nm-120nm정도 크기의 평균 입도를 가질 수 있다.
또한, 연마 슬러리는 pH가 낮은 산성 영역에서 실리콘 산화막의 연마율 및 단차제거율이 높아질 수 있다. 연마 슬러리는 약 2내지 7정도의 pH를 가질 수 있고, 3 내지 6정도의 pH를 가질 수 있다. 예를 들어, 연마 슬러리는 pH 조절용 약산성 용액을 포함할 수 있다.
분산제는 세리아 분자의 분산 안정성을 확보할 수 있다. 분산제는 비이온성 고분자 또는 양이온(cationic) 유기 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분산제는 에틸렌 옥사이드(Ethylene oxide), 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 글리콜디스티레이트(glycol distearate), 글리콜 모노스티레이트(glycol monostearate), 글리콜 폴리머레이트(glycol polymerate), 글리콜 에테르(glycol ether)류, 　알킬라민(Alkylamine)을 포함하는 알코올(Alcohol)류, 폴리머레이트에테르(Polymerate ether), 소비트롤(Sorbitol)을 포함하는 화합물, 비이온성 계면활성제(Nonionic Surfactant)류, 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 셀룰로스(Cellulose)류, 에톡시레이트(Ethoxylate) 계열의 화합물을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 분산제는 디에틸렌 글리콜 헥사데실 에테르(Diethylene glycol hexadecyl ether), 데캐틸렌 글리콜 헥사데실 에테르(Decaethylene glycol hexadecyl ether), 디틸렌 글리콜 옥타디사이클 에테르(Diethylene glycol octadecyl ether), 이오코시틸렌 글리콜 옥타디사이클 에테르(Eicosaethylene glycol octadecyl ether), 디틸렌 글리콜 올리 에테르(Diethylene glycol oley ether), 디시틸렌 클리콜 올릴 에테르(Decaethylene glycol oleyl ether), 디시틸렌 글리콜 옥타디사이클 에테르(Decaethylene glycol octadecyl ether), 노닐페놀 폴리에틸렌 글리콜 에테르(Nonylphenol polyethylene glycol ether), 에틸렌디아민 테트라키스(에톡시레이트ㅡ블록-프로폭시레이트)테트롤(Ethylenediamine tetrakis(ethoxylate-block-propoxylate) tetrol), 에틸렌디아민 테트라키스(프로폭시레이트-블록-에톡시레이트) 페트롤(Ethylenediamine tetrakis(propoxylate-block-ethoxylate) tetrol, 폴리에틸렌-블록-폴리(에틸렌 글리콜)(Polyethylene-block-poly(ethylene glycol)), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸페닐 에테르(Polyoxyethylene isooctylphenyl ether), 폴리옥시에틸렌 옥티페닐 에테르(Polyoxyethylene octylphenyl ether), 폴리옥시에틸렌 트리에사이클 에테르(Polyoxyethylene tridecyl ether), 폴리옥시에틸렌 솔비탄 테트라올리에이트(Polyoxyethylene sorbitan tetraoleate), 폴리옥시에틸렌 솔비톨 헥사올리에이트(Polyoxyethylene sorbitol hexaoleate), 폴리에틸렌 글리콜 솔비탄 모노라우레이트(Polyethylene glycol sorbitan monolaurate), 폴리옥시에틸렌솔비탄 모놀라우레이트(Polyoxyethylenesorbitan monolaurate), 솔비탄 모노팔미테이트(Sorbitan monopalmitate), 에프에스-300 모노이오닉 플루오로서펀턴트(FS-300 nonionic fluorosurfactant), 에프에스엔 모노이오닉 플루오로서펀턴트(FSN nonionic fluorosurfactant), 에프에스오 모노이오닉 에소옥실레이티드 플루오로서펀턴트(FSO nonionic ethoxylated fluorosurfactant), 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 셀룰로오스(Cellulose)류, 2,4,7,9,-테트라메틸-5-디신-4,7-디올 에소옥시레이트(2,4,7,9-Tetramethyl-5-decyne-4,7-diol ethoxylate), 8-메틸-1-노나놀-프로폭시레이트-블록-에소옥시레이트(8-Methyl-1-nonanol propoxylate-block-ethoxylate), 알일 알코올 1,2-부토옥시레이트-블록-에소옥실레이트(Allyl alcohol 1,2-butoxylate-block-ethoxylate), 폴리옥시에틸렌 브랜치드 노닐사이클로헥실 에테르(Polyoxyethylene branched nonylcyclohexyl ether), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸사이클로헥실 에테르(Polyoxyethylene isooctylcyclohexyl ether)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분산제는 연마 슬러리에 약 0.5 중량% 내지 1 중량%정도의 혼합비로 혼합될 수 있다.
연마 가속제는 아로마틱 계열의 양쪽성 화학물을 포함할 수 있다. 연마 가속제는 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-Methyl-phenol anion), 또는 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-HydroxyMethyl-phenol anion), 4-메틸-벤젠-1,3-디올(4-Methyl-benzene-1, 3-diol), 코직 산(Kojic acid), 멜톨 프로피오네이트(Maltol propionate), 멜톨 이소부틸레이트(Maltol iosbutyrate)과 같은 퀴논(Quinone)류 화합물을 포함할 수 있다. 퀴논류 화합물은 알킬 벤젠 디올(Alkylbenzene diol)류와 히드록시(Hydroxy) 및 알킬기를 포함하는 디논(Dienone), 디올(Diol), 디놀(Dienol(Dienol anion))과, 페놀 음이온(Phenol anion) 및 알킬기가 OXO로 연결되어 있는 디논(Dienone), 디올(Diol), 디놀 음이온 (Dienol anion)과, 히드록시알킬(Hydroxyalkyl)과 벤젠(benzene)고리를 포함하는 디논(Dienone), 디올(Diol), 디놀 음이온 (Dienol anion)을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 퀴논류 화합물은 4-알킬-벤젠-1,3-디올(4-alkyl-benzene-1,3-diol), 3-히드록시-4-알킬-사이클로헥사-2,5-디논(Hydroxy-4-alkyl-cyclohexa-2,5-dienone), 6-알킬-3-오엑스오-사이클로헥사-1,4-디놀 음이온(6-Alkyl-3-oxo-cyclohexa-1,4-dienol anion), 3-히드록시-6-알킬-사이클로헥사-2,4-디논(3-Hydroxy-6-alkyl-cyclohexa-2,4-dienone), 4-알킬-3-오엑스오-사이클로헥사-1,5-디놀 음이온(4-Alkyl-3-oxo-cyclohexa-1,5-dienol anion), 3-히드록시-4-알킬-페놀 음이온(3-hydroxy-4-alkyl-phenol anion), 5-히드록시-2-알킬 페놀 음이온(5-Hydroxy-2-alkyl-phenol anion), 3-히드록시-4-알킬-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-alkyl-phenol anion), 5-히드록시-2-히드록시알킬-페놀 음이온(5-Hydroxy-2-hydroxyalkyl-phenol anion), 3-히드록시-4-히드록시알킬-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-hydroxyalkyl-phenol anion), 3-히드록시-4-히드록시알킬-사이클로헥사-2,5-디논(3-Hydroxy-4-hydroxyalkyl-cyclohexa-2,5-dienone), 6-히드록시알킬-3-오엑스오-사이클로헥사-1,4-디놀 음이온(6-Hydroxyalkyl-3-oxo-cyclohexa-1,4-dienol anion), 3-히드록시-6-히드록시알킬-사이클로헥사-2,4 디논(3-Hydroxy-6-hydroxyalkyl-cyclohexa-2,4-dienone), 4-히드록시알킬-3-사이클로헥사-1,5-디놀 음이온(4-Hydroxyalkyl-3-oxo-cyclohexa-1,5-dienol anion), 4-히드록시알킬-벤젠-1,3-디올(4-Hydroxyalkyl-benaene-1,3-diol)들의 군에서 선택되는 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 가속제는 슬러리의 혼합 용액에 약 1 중량% 내지 2 중량%정도의 혼합비로 혼합될 수 있다.
흡착 방지제는 화학적 기계적 연마장치의 패드 및 다이아몬드 디스크의 흡착을 방지할 수 있다. 흡착 방지제는 연마 가속제와 반응 또는 얽힘이 없는 동일한 종류의 아로마틱 계열의 음이온성 화학물질을 포함할 수 있다. 흡착 방지제는 연마 가속제의 퀴논류의 화합물과 반응되지 않는 벤젠 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡착 방지제는 카르복실기가 포함된 아세트산(Acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 부틸산(butyric acid), 젖산(latic acid)과 같은 유기산의 일부 사이트에서의 알킬기가 벤젠으로 치환되고 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물을 포함할 수 있다. 벤젠 화합물은 2-메틸-벤젠 산(2-Methyl-benzoic acid)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡착 방지제는 연마 슬러리의 혼합용액에 약 0.5 중량% 내지 약 1 중량%정도의 혼합비로 혼합될 수 있다.
예를 들어, 연마 슬러리를 이용한 CMP 공정을 도 1과 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한다. 도 1은 CMP 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2a 내지 도 2d는 소자 분리막의 평탄화 공정을 설명하기 위해 나타낸 공정단면도들이다.
도 1을 참조하면, CMP장치는 제 1 회전축(24)에 지지되는 플래튼(20) 상에 형성된 연마 패드(22)를 포함할 수 있다. 연마 패드(22) 상에는 기판(10)을 고정한 연마 헤드(30)가 제 2 회전축(32)에 의해 회전될 수 있다. 제 1 및 제 2 회전축(14, 32)은 모터(미도시)에 의해 회전 동력을 전달받아 동일 또는 반대방향으로 플래튼(20)과 연마 헤드(30)를 회전시킬 수 있다. 연마 패드(22)는 컨디셔너(40)에 의해 일정한 표면 상태가 유지될 수 있다. 컨디셔너(40)는 연마 패드(22)의 상부에 스위핑되는 다이아몬드 디스크(42)를 포함할 수 있다. 다이아몬드 디스크(42)는 연마 패드(22)의 표면을 절삭할 수 있다. 연마 패드(22)의 일측에서 형성된 슬러리 공급 노즐(60)로부터 상기 연마 패드(22) 상으로 연마 슬러리(60)가 공급될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 기판(10) 상에 트렌치(18)를 형성한다. 트렌치(18)는 하드 마스크막(12)을 식각마스크로 사용한 기판(10)의 식각공정으로 형성될 수 있다. 하드 마스크막(12)은 실리콘 질화막을 포함할 수 있다. 하드 마스크막(12)은 포토리소그래피 공정으로 패터닝될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 하드 마스크막(12)의 상부 및 트렌치(18) 내부를 매립하는 소자 분리막(14)을 형성한다. 소자 분리막(14)은 화학기상증착방법으로 형성된 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 소자 분리막(14)은 트렌치(18) 상부와 그의 외곽에서 단차(16)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 소자 분리막(14)은 기판(10) 상의 셀 영역보다 주변 영역 상에서 많은 단차(16)를 가질 수 있다.
도 1 및 도 2c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연마 슬러리(60)를 이용하여 단차(16)를 갖는 소자 분리막(14)을 평탄화할 수 있다. 여기서, 연마 슬러리(60)는 단차(16) 제거용 세리아 슬러리를 포함할 수 있다. 세리아 슬러리는 실리카 슬러리보다 스크래치를 줄일 수 있다. 세리아 슬러리는 연마제, 분산제, 및 물을 포함할 수 있다. 세리아 슬러리는 단차(16)를 갖는 소자 분리막(14)을 평탄화하기 위해 연마 가속제를 더 포함할 수 있다. 또한, 세리아 슬러리는 소자 분리막(14)의 평탄화 공정 시에 연마 패드(22) 및 다이아몬드 디스크(42)의 오염을 방지하기 위해 흡착 방지제가 더 첨가될 수 있다.
도 2d를 참조하면, 소자 분리막(14)을 세리아 슬러리로 평탄하게 제거하여 하드 마스크막(12)을 노출시킬 수 있다. 세리아 슬러리는 실리콘 질화막으로 이루어진 하드 마스크막(12)에 대해 소자 분리막(14)의 우수한 선택식각비를 가질 수 있다. 세리아 슬러리는 연마제, 분산제, 및 물을 포함할 수 있다. 세리아 슬러리는 소량의 흡착 방지제가 첨가될 수 있다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실시예를 통하여 설명하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 연마 슬러리(60)의 연마 특성을 알아보기 위해 첨가제들을 다양하게 변경된 연마 슬러리(60)를 이용한 CMP를 수행하였다. 또한, 첨가제들의 종류에 따른 CMP 특성에 대한 평가 결과를 나타내었다.
(연마조건)
실리콘 산화막의 연마 특성을 알아보기 위해, 트렌치(18)가 형성된 기판(10) 상에 소자 분리막(14)으로서 HDP(High Density Plasma)/USG(Undopd Silicate Glass) 실리콘 산화막을 약 7600Å정도의 두께로 형성하였다.
연마 패드(22)로서, 2층 타입의 반도체 장치용 패드(로델-니타(Rodel-Nitta) 주식회사 제조 IC1010/Suba400)를 사용하였고, CMP장치로서 반도체 장치 연마용 단면 연마 장치(AMK사의 미라(MIRRA)와 엘캐이(LK))를 사용하였다. 플래튼(20)의 회전속도는 약 86rpm으로 설정되었고, 연마 헤드의 회전속도는 약 85rpm으로 설정되었으며, 가공 압력은 약 3psi로 설정되었고, 연마 시간은 약 1분으로 설정되었으며, 연마 슬러리(60)는 약 200ml/min으로 공급되도록 설정되었다.
(실시예 1)
상술한 연마 슬러리(60)는 연마제, 분산제, 및 물을 공통적으로 포함하였다. 연마 제는 세리아를 포함하고, 분산제는 에틸랜 글리콜을 포함한다. 연마 슬러리(60)에 첨가되는 연마 가속제를 변경하면서 실리콘 산화막의 단차 제거율을 측정하였고, 연마 패드(22) 및 다이아몬드 디스크(42)의 오염발생을 확인하였다. 또한, 연마 슬러리(60)에 흡착 방지제를 추가하여 연마 패드(22) 및 다이아몬드 디스크(42)의 오염발생을 방지하거나 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 그 결과가 표 1에서와 같이 도시되어 있다.
샘플 연마가속제 흡착 방지제
(벤젠화합물)		 실리콘산화막
단차제거율		 연마패드 오염 개선유무 다이아몬드 디스크 오염개선유무
1 피리딘 카르복실 산 무 2500 무 무
12 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온 무 2600 무 무
3 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온 무 2600 무 무
4 피리딘 카르복실 산 유 2000 (부분적)유 (부분적)유
5 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온 유 2400 유 유
6 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온 유 2700 유 유
레퍼런스 캐봇(D6720) 2500
위 표 1와, 도 2a 내지 도 2d로부터 연마 가속제가 첨가된 세리아 슬러리는 단차(16)를 갖는 실리콘 산화막을 약 2000Å/min이상의 단차 제거율로 평탄화할 수 있다. 샘플 1 및 샘플 4는 연마 가속제로 종래의 양쪽성 계면활성제의 피리딘 카르복실 산을 사용하였고, 샘플 2 및 샘플 5는 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온을 연마 가속제로 사용하였으며, 샘플 3 및 샘플 6은 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온을 연마 가속제로 사용하였다. 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온 또는 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온은 피리딘 카르복실 산 에 비해 우수한 실리콘 산화막의 단차 제거율을 가질 수 있었다.
또한, 샘플 1 내지 샘플 3과, 샘플 4 내지 샘플 6을 비교하여 볼 때, 세리아 슬러리에 흡착 방지제가 첨가됨에 따라 다이아몬드 디스크(42) 및 연마 패드(22)의 오염이 개선됨을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 흡착 방지제는 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물을 포함할 수 있다. 벤젠 화합물은 연마 패드(22)와 다이아몬드 디스크(42)의 오염을 방지할 수 있다. 샘플 5와 샘플 6에서와 같이, 벤젠 화합물은 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온, 또는 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온의 연마 가속제와 함께 세리아 슬러리에 첨가될 경우, 연마 패드(22) 및 다이아몬드 디스크(42)의 오염을 개선시킬 수 있다. 반면, 샘플 4에서와 같이, 벤젠 화합물은 피리딘 카르복실 산의 연마 가속제와 반응을 일으키기 때문에 부분적으로 연마 패드(22)와 다이아몬드 디스크(42)의 오염을 유발하는 것을 알 수 있다. 상기 결과를 통해, 카르복실 산을 포함하는 벤젠 화합물의 흡착 방지제와 연마 가속제를 첨가한 세리아 슬러리는 단차 제거율이 높고, 연마 패드(22)/다이아몬드 디스크(42)의 오염을 줄일 수 있다.
(실시예 2)
실시예 1 에서 사용된 슬러리 중 샘플 3과 샘플 6의 물리화학적 특성을 분석하였으며, 그 특성을 일반적인 세리아 슬러리와 비교하였다. 레퍼런스는 샘플 3과 샘플 6의 슬러리와 입도가 유사한 히타치사의 HS8005A10M을 사용하였다. 그 결과가 표 2에서와 같이 도시되어 있다.
샘플 3 샘플 6 HS8005A10M
평균입도(nm) 120 100 100
제타 포텐셜(mV) +12 +35 -45
pH 3.5 3.5 8.6
단차제거율 2600 2700 120
위 표 2를 참조하면, 레퍼런스로 사용된 히타치사의 HS8005A10M는 연마가속제가 첨가되지 않았기 때문에 음의 제타 포텐셜을 갖는다. 샘플 3과 샘플 6은 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온의 연마가속제를 포함하는 세리아 슬러리를 사용하였다. 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온은 실리콘 산화막과 반대 전위를 갖기 때문에 실리콘 산화막과 강한 응집력(attraction force)으로 결합될 수 있다. 샘플 3과 샘플 6은 양의 값의 제타 포텐셜(Zeta Potential)을 가질 수 있다. 또한, 샘플 3과 샘플 6은 pH가 3.5 정도의 산성으로 나타나고 있으나, 히타치사의 HS8005A10M는 8.6정도의 염기성으로 나타나고 있다. 샘플 3 및 샘플 6은 히타치사의 HS8005A10M에 비해 월등히 우수한 단차 제거율을 가질 수 있다.
샘플 6은 벤젠 화합물의 흡착 방지제가 첨가된 세리아 슬러리를 포함할 수 있다. 샘플 6은 샘플 3에 비해 세리아 연마제의 평균입도가 작음에도 불구하고 단차제거율의 크게 나타나고 있다. 이는 흡착 방지제를 포함하는 샘플 6의 제타 포텐셜이 증가됨에 따라 단차 제거율이 증가될 수 있기 때문이다. 또한, 샘플 6은 제타 포텐셜이 증가되기 때문에 세리아 연마 입자들간의 응집력을 감소시키고, 연마 패드(22) 및 다이아몬드 디스크(42)의 오염을 감소시킬 수 있다. 음이온 성분의 흡착 방지제는 양의 전하를 갖는 세리아 연마 입자를 흡착하여 세리아 슬러리의 입체적 분산안정성(electrosteric stability)을 확보할 수 있다. 따라서, 흡착 방지제는 연마 패드(22) 및 다이아몬드 디스크(42)의 표면에서 연마 입자의 흡착 오염을 방지할 수 있다.
(실시예 3)
상기 방법으로 제조된 슬러리들에 대한 CMP 누적시간에 따른 다이아몬드 디스크(42)의 패드 절삭율을 비교하였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연마 슬러리와 종래의 연마 슬러리의 CMP 누적시간에 따른 다이아몬드 디스크의 패드 절삭율 변화를 비교하여 나타낸 그래프들이다. 도 3을 참조하면, 샘플 6 세리아 슬러리는 CMP 누적시간에 따라 실리카 슬러리와 유사한 연마 패드(22)의 절삭율을 가질 수 있다. 여기서, 그래프의 가로축은 CMP 누적시간에 대응되는 마라톤 테스트 시간을 나타내고, 그래프의 세로축은 패드 절삭율을 나타낸다.
본 평가는 CMP 누적시간에 따른 다이아몬드 디스크(42)의 패드 절삭율(PCR)을 매시간마다 20시간의 마라톤 테스트 시간까지 측정하였다. 레퍼런스 세리아 슬러리는 캐봇의 D6720이 사용되었고, 실리카 슬러리는 제일모직의 스타플래나(STARPLANAR) 3000이 사용되었다. 샘플 5와 샘플 6의 세리아 슬러리는 연마 가속제와 흡착 방지제가 첨가된다.
평가 결과, 레퍼런스 세리아 슬러리는 샘플 5 세리아 슬러리 및 샘플 6 세리아 슬러리에 비해 현저히 낮은 다이아몬드 디스크(42)의 패드 절삭율을 가질 수 있다. 레퍼런스 세리아 슬러리는 10시간 정도의 CMP 누적시간 이후 절삭율이 매우 낮아 단차(16) 제거용으로 부적합하다.
반면, 샘플 6 세리아 슬러리는 실리카 슬러리와 유사한 수준의 다이아몬드 디스크(42)의 패드 절삭율을 가질 수 있다. 샘플 6 세리아 슬러리는 연마 가속제와 흡착 방지제 포함되는 히드록시기(OH)의 친수성 특성이 강화되었기 때문에 높은 패드 절삭율을 가질 수 있다.
(실시예 4)
본 발명을 통해 제조된 세리아 슬러리를 이용 소자 분리막 CMP 공정에 적용하였다. 소자 분리막은 기판(10) 상에서 약 7600Å정도의 두께로 형성되어 있다. 세리아 슬러리의 비교군으로 실리카 슬러리가 사용되었으며 현재 단차(16) 제거 공정에 적용하여 평가하였다. 연마 시간을 30초로 진행한 후 잔류 실리콘 산화막 두께(Remain Tox)를 비교하였고 풀 소자 분리막 CMP 후 스크래치 분석을 실시하였다.
평가 결과 본 발명을 통해 개발된 세리아 슬러리는 동일 연마시간 30초에서 실리카 슬러리보다 많은 단차 제거율을 보였으며, 최종 소자 분리막의 CMP 후 평가된 스크래치 결과에서도 매우 양호한 (실리카 슬러리 대비 20% 수준) 결과를 가질 수 있었다. 그 결과는 도 4 및 도 5에서와 같이 나타날 수 있었다.
도 4는 디램의 소자 분리막 CMP 공정을 수행 후 남은 잔여 소자 분리막의 두께를 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 세리아 슬러리는 CMP 공정에서 실리카 슬러리보다 많은 두께의 실리콘 산화막을 제거할 수 있다. 여기서, 그래프의 가로축은 30cm 지름의 기판(10) 중심을 기준으로 외곽까지의 거리를 나타내고, 그래프의 세로축은 기판(10) 상에 형성된 소자 분리막의 두께를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 세리아 슬러리는 기판(10)의 중심에서 외곽까지 약 5000Å이하 잔여 두께까지 소자 분리막을 제거할 수 있는 반면, 실리카 슬러리는 5000Å이상의 잔여 두께까지 소자 분리막을 제거할 수 있다. 따라서, 세리아 슬러리는 실리카 슬러리보다 실리콘 산화막의 단차 제거율이 높을 수 있다.
도 5는 도 4의 CMP 공정에 따른 스크래치 개수를 나타내는 밴다이어 그램이다. 도 5를 참조하면, 세리아 슬러리는 2개의 기판(10)에 대한 CMP를 통해 평균 약 5개 이하의 스크래치 불량을 가질 수 있으나, 실리카 슬러리는 2개의 기판(10)에 대한 CMP를 통해 평균 약 50개 정도의 스크래치 불량을 가질 수 있다. 여기서, 가로축은 세리아 슬러리와 실리카 슬러리를 사용한 CMP 공정이 실시된 각각 2개의 기판(10)을 나타내고, 세로축은 기판(10) 상에서 스크래치 불량의 개수를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 세리아 슬러리는 실리카 슬러리에 비해 스크래치 불량을 현저히 감소시킬 수 있다. 때문에, 세리아 슬러리는 실리콘 산화막의 단차 제거용 CMP에서 스크래치 불량 문제를 갖는 실리카 슬러리를 대체할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 기판 12 : 하드 마스크막
14 : 소자 분리막 16 : 단차
18 : 트렌치 20 : 플래튼
22 : 연마 패드 24 : 제 1 회전축
30 : 연마 헤드 32 : 제 2 회전축
40 : 컨디셔너 42 : 다이아몬드 디스크
50 : 슬러리 공급 노즐 60 : 연마 슬러리

Claims (10)

  1. 분산제, 연마가속제, 흡착방지제, 및 연마제를 포함하는 연마 슬러리에 있어서,
    상기 흡착방지제는 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물을 포함하되,
    상기 연마가속제는 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-Methyl-phenol anion), 3-히드록시-4-히드록시메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-HydroxyMethyl-phenol anion), 4-메틸-벤젠-1,3-디올(4-Methyl-benzene-1, 3-diol), 코직 산(Kojic acid), 멜톨 프로피오네이트(Maltol propionate), 또는 멜톨 이소부틸레이트(Maltol iosbutyrate)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 연마 슬러리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤젠 화합물은 상기 카르복실기가 포함된 아세트산(Acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 부틸산(butyric acid), 젖산(latic acid)을 포함하는 유기산의 일부 사이트에서의 알킬기가 벤젠으로 치환된 화합물을 포함하는 연마 슬러리.
  3. 제 1 항에 있어서
    상기 벤젠 화합물은 2-메틸-벤젠 산(2-Methyl-benzoic acid)을 포함하는 연마 슬러리.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제는 비이온성 고분자 또는 양이온 유기 화합물을 포함하는 연마 슬러리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분산제는 에틸렌 옥사이드(Ethylene oxide), 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol), 글리콜디스티레이트(glycol distearate), 글리콜 모노스티레이트(glycol monostearate), 글리콜 폴리머레이트(glycol polymerate), 글리콜 에테르(glycol ether)류, 　알킬라민(Alkylamine)을 포함하는 알코올(Alcohol)류, 폴리머레이트에테르(Polymerate ether), 소르비톨(Sorbitol)을 포함하는 화합물, 비이온성 계면활성제(Nonionic Surfactant)류, 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 셀룰로스(Cellulose)류, 에톡시레이트(Ethoxylate)계열의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 연마 슬러리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제, 상기 연마 가속제, 상기 흡착방지제, 상기 연마제, 및 물은 각각 0.5-1 : 1-2 : 0.5-1 : 5 : 91-93 비율의 중량 퍼센트로 혼합되는 연마 슬러리.
  9. 단차를 갖는 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 및
    연마 슬러리를 이용하여 상기 절연막을 평탄화하는 단계를 포함하되,
    상기 연마 슬러리는 연마제, 분산제, 연마가속제, 및 흡착방지제를 포함하고, 상기 흡착방지제는 카르복실기가 결합된 벤젠 화합물을 포함하되,
    상기 연마가속제는 3-히드록시-4-메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-Methyl-phenol anion), 3-히드록시-히드로시메틸-페놀 음이온(3-Hydroxy-4-HydroxyMethyl-phenol anion), 4-메틸-벤젠-1,3-디올(4-Methyl-benzene-1, 3-diol), 코직 산(Kojic acid), 멜톨 프로피오네이트(Maltol propionate), 또는 멜톨 이소부틸레이트(Maltol iosbutyrate)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 절연막의 평탄화 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 벤젠 화합물은 2-메틸-벤젠 산(2-Methyl-benzoic acid)을 포함하는 절연막의 평탄화 방법.
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